摘 要： 敘述了低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上給出了控制低速永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行的程序總框圖。實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行控制。
關(guān)鍵詞： 低速；無(wú)刷直流電機(jī)；控制系統(tǒng)
目前，桿驅(qū)螺桿泵式抽油機(jī)普遍應(yīng)用于油田生產(chǎn)中。由于螺桿泵式抽油機(jī)要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩大、轉(zhuǎn)速慢、運(yùn)行平穩(wěn)。采用異步電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺桿泵，往往存在效率低下、噪音、振動(dòng)等問(wèn)題，而無(wú)刷直流電機(jī)具有效率高、轉(zhuǎn)矩大、低速運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因此適合用做螺桿泵式抽油的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而且，專門制造的低速無(wú)刷直流電機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿泵式抽油機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)，既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，又避免了使用減速器帶來(lái)的一系列問(wèn)題。另外，由于無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行中需要檢測(cè)的狀態(tài)量較多，控制較為復(fù)雜，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制已經(jīng)明顯力不從心。近年來(lái)，國(guó)外許多公司紛紛推出高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），比如TI公司的TMS320C24以及Motorola公司的DSP56F8xx系列，用來(lái)控制無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行非常方便。采用數(shù)字信號(hào)處理器的電機(jī)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，運(yùn)行速度快，精度高，正處在普遍開發(fā)和應(yīng)用中。
1 硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)采用交流380 V整流獲得的直流電作為供電電源，使用三相橋式逆變電路作為功率主電路，控制單元采用Motorola公司的DSP56F803。
本控制系統(tǒng)的硬件部分主要由蓄電池及逆變電路、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路、電源電路、系統(tǒng)控制單元及其外圍電路、電流及電壓信號(hào)檢測(cè)電路等幾部分組成。圖1所示是硬件系統(tǒng)的示意圖。圖中粗箭頭表示能量傳送方向，細(xì)箭頭表示控制或檢測(cè)信號(hào)的傳送方向。系統(tǒng)運(yùn)行后，控制單元根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制指令以及檢測(cè)到的有關(guān)信號(hào)發(fā)出開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行。
圖2所示為功率逆變電路以及無(wú)刷直流電機(jī)的電路連接圖。電樞繞組為三相繞組，Y接。功率逆變電路采用電壓型三相全橋逆變電路。實(shí)驗(yàn)所用的無(wú)刷直流電機(jī)為額定功率2.2 kW，額定電壓300 V，電樞繞組Y接；開關(guān)管選用富士公司的IGBT，型號(hào)為1MBH60-100，額定電流60 A，額定電壓1 000 V；IGBT的驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊采用了VLA517-01R。
圖3所示為控制單元各模塊承擔(dān)的功能示意圖。
鍵盤接口負(fù)責(zé)接收控制指令，產(chǎn)生鍵盤中斷或改變電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)相電流、轉(zhuǎn)速給定、相電壓等信號(hào)。電機(jī)的位置檢測(cè)采用電機(jī)內(nèi)置的霍爾位置傳感器，輸出3路位置信號(hào)（矩形波）。根據(jù)電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信號(hào)決定IGBT的導(dǎo)通次序，輸出IGBT的開關(guān)信號(hào)。同時(shí)，將檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速和相電流信號(hào)輸入DSP，根據(jù)控制算法決定PWM信號(hào)的占空比。PWM信號(hào)的占空比決定電機(jī)的速度控制，它和IGBT的開關(guān)信號(hào)、故障中斷產(chǎn)生的封鎖信號(hào)一起作為邏輯綜合電路的輸入。邏輯綜合電路的輸出作為IGBT驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)。
其他功能的硬件電路比如電壓和電流采集等電路的設(shè)計(jì)較為常見。
2 電動(dòng)運(yùn)行原理
電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，相電流的導(dǎo)通方式采用120°導(dǎo)通方式，即每個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)間均為120°電角度。調(diào)速采用的PWM調(diào)制方式為半橋調(diào)制，即PWM只對(duì)導(dǎo)通周期內(nèi)一對(duì)元件中的一個(gè)起作用。功率管的開關(guān)狀態(tài)取決于位置傳感器提供的HALL信號(hào)。表1所示為測(cè)試得出的電機(jī)正向和反向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，霍爾位置傳感器的HALL狀態(tài)與開通功率管的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖4(a)所示為半橋調(diào)制時(shí)相電流與反電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以T1和T6導(dǎo)通的60°時(shí)間為例，這時(shí)eA、eB、eC的波形如圖4(b)所示的t1～t3。圖5所示為半橋調(diào)制下開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)的繞組電流情況。
3 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的控制單元采用Motorola公司的DSP56F803芯片，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)。圖6所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到程序的五大模塊以及各模塊間子程序的相互調(diào)用關(guān)系。
為保證電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行，必須保證換相平穩(wěn)，即電機(jī)在換相時(shí)不發(fā)生抖動(dòng)，盡量減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。由于電機(jī)換相信號(hào)頻率較高、信號(hào)傳輸線需由電機(jī)引向控制器，往往較長(zhǎng)，電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境中的電磁因素極易對(duì)換相信號(hào)造成干擾，使換相信號(hào)畸變、紊亂。這就需要對(duì)換相信號(hào)線進(jìn)行相應(yīng)防干擾和濾波處理，比如通過(guò)使電機(jī)換相信號(hào)的輸出與控制器之間的信號(hào)線盡量短，信號(hào)線采用絞合線以及采用外皮屏蔽式信號(hào)線等辦法。程序上也可以對(duì)換相信號(hào)做干擾過(guò)濾處理，即根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速估算正常換相的位置信號(hào)出現(xiàn)的大體時(shí)間段，將該時(shí)間段外的干擾信號(hào)屏蔽，這樣，即使轉(zhuǎn)子在換相點(diǎn)附近干擾信號(hào)，仍能正常換相。
系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，兩調(diào)節(jié)器均采用PID調(diào)節(jié)器，控制系統(tǒng)如圖7所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
圖8所示是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的無(wú)刷直流電機(jī)空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速變化曲線?？梢娹D(zhuǎn)速響應(yīng)較快，超調(diào)較小，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，具有良好的動(dòng)靜態(tài)特性。圖9所示為本文設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器控制下的無(wú)刷直流電機(jī)的相電流和一相位置信號(hào)的波形，此波形較理想。總之，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行情況較好，具有一定應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 張琛．直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[2] 韋鯤，林平，熊宇，等．無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)制方式的優(yōu)化研究[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005,39(7)：1038-1042.
[3] 邵貝貝．Motorola DSP型16位單片機(jī)原理與實(shí)踐[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.
[4] 王爽，李鐵才，王治國(guó)．無(wú)刷直流電機(jī)換相力矩波動(dòng)抑制[J]．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2008，5（3）：288-293．